如今碳化硅陶瓷基板，在功率模塊下高溫汽車逆變器應(yīng)用中提供出色的熱性能和高可靠性。與傳統(tǒng)的引線鍵合功率模塊相比，卓越的開(kāi)關(guān)性能降低了開(kāi)關(guān)的損耗性，因此可以延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，從而降低對(duì)系統(tǒng)的成本。

迄今為止，低溫共燒陶瓷（LTCC）很少用于電力電子領(lǐng)域，但其獨(dú)特的物理特性與Si、SiN和SiC完美的匹配。此處，LTCC使3D多層布線功率模塊結(jié)構(gòu)成為可能，在高溫應(yīng)用中提供低開(kāi)關(guān)損耗、出色的熱性能和可靠性。

在空腔的深度與使用的碳化硅MOSFET（半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）的高度相匹配如圖1.1所示。因此，可以將SiC MOSFET燒結(jié)到空腔中，將MOSFET燒結(jié)到空腔中后，碳化硅MOSFET和LTCC之間的剩余空間填充有底部填充物，以確保功能隔離如圖1.2所示。

然后，通過(guò)將帶有芯片的LTCC燒結(jié)或焊接到Si3N4-AMB陶瓷基板上，可以實(shí)現(xiàn)具有良好熱性能的芯片背面接觸如圖1.3所示。與其它陶瓷基板相比，碳化硅陶瓷基板提供了最佳的機(jī)械穩(wěn)健性以及出色的導(dǎo)熱性，是需要高可靠性和高功率密度應(yīng)用的合理選擇。所得陶瓷組件內(nèi)的材料在熱膨脹系數(shù)（CTE）方面非常匹配。因此，期望在高工作溫度下具有高可靠性。

將Si3N4底部焊接到3D打印的鋁散熱器（如圖2.1所示）完成了熱路徑。但這種散熱器很特別如圖3所示，它從冷卻器表面到冷卻劑的熱路徑極短。冷卻器表面和冷卻劑之間只有0.5毫米的3D打印鋁材料。

從SiC MOSFET結(jié)到冷卻劑的總熱阻測(cè)得為0.8K/W每芯片，這種陶瓷基板組件能夠在比150℃高的溫度下工作，例如在電機(jī)逆變器中也可以在LTCC中建立散熱通孔，以實(shí)現(xiàn)雙面冷卻。

但在試驗(yàn)的案例中，我們利用了LTCC的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)：可以將SMD元件直接放置在頂側(cè)表面上。因?yàn)椋覀冎苯釉贚TCC上放置了一個(gè)直流鏈路RC緩沖器和非隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器電路。兩者的組件也能夠在150℃下工作如圖2.2所示，因此我們?cè)?a target="_blank">電源模塊內(nèi)有一個(gè)完整的開(kāi)關(guān)單元，電源模塊滿足快速無(wú)振蕩切換所需的兩個(gè)關(guān)鍵電磁條件。第一個(gè)條件是初級(jí)直流鏈路電感如圖4所示中的黃色回路。

開(kāi)關(guān)單元回路跨越兩個(gè)半導(dǎo)體、初級(jí)直流鏈路電容器和阻尼電阻器。LTCC頂部的阻尼直流鏈路構(gòu)建了一個(gè)3D毫米寬的超平坦開(kāi)關(guān)單元回路。結(jié)果，開(kāi)關(guān)單元電感小于1nH其他直流鏈路電阻器通過(guò)LTCC與熱通孔直接連接到碳化硅襯底。因此，它們?cè)陂_(kāi)關(guān)時(shí)刻吸收了開(kāi)關(guān)單元內(nèi)的大部分諧振電路能量，從而降低了半導(dǎo)體中的熱應(yīng)力。快速和無(wú)振蕩開(kāi)關(guān)所需的第二個(gè)條件是低柵極電感。一個(gè)非隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器電路直接放置在功率模塊上靠近半導(dǎo)體，將柵極電感如圖4所示降低到5nH以下，這確保了無(wú)寄生導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)并減少了振蕩。

將這樣的核心集成到系統(tǒng)中并非易事，需要基本絕緣和低電感大電流連接。填充有標(biāo)準(zhǔn)的硅膠的塑料框架如圖2.3所示可調(diào)整陶瓷組件相對(duì)于PCB的位置。并確保基本隔離。

低電感大電流連接器采用0.3mm扁平多觸點(diǎn)彈簧連接器，這些降低了PCB上200F次級(jí)直流鏈路箔電容器與電源模塊頂部RC緩沖器之間連接的雜散電感。這些連接的低電感對(duì)于快速開(kāi)關(guān)性能至關(guān)重要，因此我們只有8.4nH的次級(jí)直流鏈路電感如圖4所示中的藍(lán)色環(huán)路所示。

總而言之，帶腔體的LTCC使我們能夠構(gòu)建適合高工作溫度的碳化硅陶瓷基板CTE匹配組件。高熱性能是通過(guò)從結(jié)到焊接層、氮化硅陶瓷和0.5毫米薄的3D打印鋁散熱器的超短熱路徑實(shí)現(xiàn)的。

超低直流回路電感，由于直流回路RC緩沖器直接放置在電源模塊上，低電感系統(tǒng)集成可實(shí)現(xiàn)快速且無(wú)振蕩的電源模塊切換。低柵極阻抗確保無(wú)寄生開(kāi)啟和低開(kāi)啟損耗，基于LTCC的電源模塊提供的功率足以為150kw電機(jī)逆變器供電。該功率模塊在高速開(kāi)關(guān)方面樹立了標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合了低熱阻和高工作溫度。

審核編輯：湯梓紅